光致發(fā)光PL光譜PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1光致發(fā)光光致發(fā)光PL光譜光譜2. 基本原理：由于半導(dǎo)體材料對(duì)能量高于其吸收限的光子有很強(qiáng)的吸收，吸收系數(shù)通常超過(guò)104cm-1，因此在材料表面約1m厚的表層內(nèi)，由本征吸收產(chǎn)生了大量的額外電子-空穴對(duì)，使樣品處于非平衡態(tài)。這些額外載流子對(duì)一邊向體內(nèi)擴(kuò)散，一邊通過(guò)各種可能的復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)合。其中，有的復(fù)合過(guò)程只發(fā)射聲子，有的復(fù)合過(guò)程只發(fā)射光子或既發(fā)射光子也發(fā)射聲子第1頁(yè)/共16頁(yè)e-he-h聲子參與e-AD-he-D+D-A(a)(b)(c)圖圖1 半導(dǎo)體中各種復(fù)合過(guò)程示意圖（半導(dǎo)體中各種復(fù)合過(guò)程示意圖（a）帶間躍遷（）帶間躍遷（b）帶）帶雜質(zhì)中心輻射復(fù)合躍遷（雜質(zhì)中心輻射復(fù)合躍遷（c）施主受

2、主對(duì)輻射復(fù)合躍遷）施主受主對(duì)輻射復(fù)合躍遷第2頁(yè)/共16頁(yè) 在這個(gè)過(guò)程中，有六種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)射光在這個(gè)過(guò)程中，有六種不同的復(fù)合機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)射光子，它們是：子，它們是：（1）自由載流子復(fù)合）自由載流子復(fù)合 導(dǎo)帶底電子與價(jià)帶頂空穴導(dǎo)帶底電子與價(jià)帶頂空穴的復(fù)合；的復(fù)合；（2）自由激子復(fù)合）自由激子復(fù)合 晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被晶體中原子的中性激發(fā)態(tài)被稱為激子，激子復(fù)合也就是原子從中性激發(fā)態(tài)向基態(tài)稱為激子，激子復(fù)合也就是原子從中性激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷，而自由激子指的是可以在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的的躍遷，而自由激子指的是可以在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的激子，這種運(yùn)動(dòng)顯然不傳輸電荷；激子，這種運(yùn)動(dòng)顯然不傳輸電荷；（3）束縛

3、激子復(fù)合）束縛激子復(fù)合 指被施主、受主或其他陷阱指被施主、受主或其他陷阱中心中心(帶電的或不帶電的帶電的或不帶電的)束縛住的激子的輻射復(fù)合，束縛住的激子的輻射復(fù)合，其發(fā)光強(qiáng)度隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加；其發(fā)光強(qiáng)度隨著雜質(zhì)或缺陷中心的增加而增加；第3頁(yè)/共16頁(yè)（4）淺能級(jí)與本征帶間的載流子復(fù)合）淺能級(jí)與本征帶間的載流子復(fù)合即導(dǎo)即導(dǎo)帶電子通過(guò)淺施主能級(jí)與價(jià)帶空穴的復(fù)合，或帶電子通過(guò)淺施主能級(jí)與價(jià)帶空穴的復(fù)合，或價(jià)帶空穴通過(guò)淺受主能級(jí)與導(dǎo)帶電子的復(fù)合；價(jià)帶空穴通過(guò)淺受主能級(jí)與導(dǎo)帶電子的復(fù)合；（5）施主）施主-受主對(duì)復(fù)合受主對(duì)復(fù)合專指被施主專指被施主-受主雜受主雜質(zhì)對(duì)束縛著的電子質(zhì)對(duì)束縛著的電子

4、-空穴對(duì)的復(fù)合，因而亦稱為空穴對(duì)的復(fù)合，因而亦稱為施主施主-受主對(duì)受主對(duì)(D-A對(duì)對(duì))復(fù)合；復(fù)合；（6）電子）電子-空穴對(duì)通過(guò)深能級(jí)的復(fù)合空穴對(duì)通過(guò)深能級(jí)的復(fù)合即即SHR復(fù)合，指導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶頂空穴通過(guò)深復(fù)合，指導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶頂空穴通過(guò)深能級(jí)的復(fù)合，這種過(guò)程中的輻射復(fù)合幾率很小能級(jí)的復(fù)合，這種過(guò)程中的輻射復(fù)合幾率很小。 第4頁(yè)/共16頁(yè) 在上述輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)中，前兩種屬于本在上述輻射復(fù)合機(jī)構(gòu)中，前兩種屬于本征機(jī)構(gòu)，后面幾種則屬于非本征機(jī)構(gòu)。由此征機(jī)構(gòu)，后面幾種則屬于非本征機(jī)構(gòu)。由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體的光致發(fā)光過(guò)程蘊(yùn)含著材料結(jié)可見(jiàn)，半導(dǎo)體的光致發(fā)光過(guò)程蘊(yùn)含著材料結(jié)構(gòu)與組份的豐富信息，是多種復(fù)雜物理過(guò)

5、程構(gòu)與組份的豐富信息，是多種復(fù)雜物理過(guò)程的綜合反映，因而利用光致發(fā)光光譜可以獲的綜合反映，因而利用光致發(fā)光光譜可以獲得被研究材料的多種本質(zhì)信息。得被研究材料的多種本質(zhì)信息。第5頁(yè)/共16頁(yè)二、儀器及測(cè)試二、儀器及測(cè)試 測(cè)量半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光光譜的基本測(cè)量半導(dǎo)體材料的光致發(fā)光光譜的基本方法是，用激發(fā)光源產(chǎn)生能量大于被測(cè)材料方法是，用激發(fā)光源產(chǎn)生能量大于被測(cè)材料的禁帶寬度的禁帶寬度Eg、且電流密度足夠高的光子流、且電流密度足夠高的光子流去入射被測(cè)樣品，同時(shí)用光探測(cè)器接受并識(shí)去入射被測(cè)樣品，同時(shí)用光探測(cè)器接受并識(shí)別被測(cè)樣品發(fā)射出來(lái)的光。別被測(cè)樣品發(fā)射出來(lái)的光。第6頁(yè)/共16頁(yè)圖圖2 光致發(fā)光光譜測(cè)

6、量裝置示意圖光致發(fā)光光譜測(cè)量裝置示意圖激光器電源激光器樣品室樣品反射鏡濾光片透鏡透鏡單色儀狹縫光電倍增管鎖相放大器計(jì)算機(jī)真空泵制冷儀第7頁(yè)/共16頁(yè)1、光致發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)第8頁(yè)/共16頁(yè)2、光致發(fā)光的缺點(diǎn)第9頁(yè)/共16頁(yè)1、組分測(cè)定 例如，GaAs1-xPx是由直接帶隙的GaAs和間接帶隙的GaP組成的混晶，它的帶隙隨x值而變化。發(fā)光的峰值波長(zhǎng)取決于禁帶寬度，禁帶寬度和x值有關(guān)。因此，從發(fā)光峰峰值波長(zhǎng)可以測(cè)定組分百分比x值。2、雜質(zhì)識(shí)別 根據(jù)特征發(fā)光譜線的位置，可以識(shí)別GaAs和GaP中的微量雜質(zhì)。3、硅中淺雜質(zhì)的濃度測(cè)定第10頁(yè)/共16頁(yè)4、輻射效率的比較 半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件要求材料具有良好的

7、發(fā)光性能，發(fā)光測(cè)量正是直接反映了材料的發(fā)光特性。通過(guò)光致發(fā)光光譜的測(cè)定不僅可以求得各個(gè)發(fā)光帶的強(qiáng)度，而且也可以的到積分的輻射強(qiáng)度。在相同的測(cè)量條件下，不同的樣品間可以求得相對(duì)的輻射效率。5、 GaAs材料補(bǔ)償度的測(cè)定 補(bǔ)償度NA/ND（ND，NA分別為施主、受主雜質(zhì)濃度）是表征材料純度的重要特征參數(shù)。6、少數(shù)載流子壽命的測(cè)定第11頁(yè)/共16頁(yè)7、均勻性的研究 測(cè)量方法是用一個(gè)激光微探針掃描樣品，根據(jù)樣品的某一個(gè)特征發(fā)光帶的強(qiáng)度變化，直接顯示樣品的不均勻圖像。8、位錯(cuò)等缺陷的研究第12頁(yè)/共16頁(yè)圖圖3 CZT晶體在晶體在4.2K下典型的下典型的PL譜。該譜。該P(yáng)L譜包括四個(gè)區(qū)域：譜包括四個(gè)區(qū)域

8、：（1）近帶邊區(qū)；（）近帶邊區(qū)；（2）施主受主對(duì)（）施主受主對(duì)（DAP）區(qū)；（）區(qū)；（3）受主）受主中心引起的中心位于中心引起的中心位于1.4eV的缺陷發(fā)光帶；（的缺陷發(fā)光帶；（4）Te空位引起空位引起的中心位于的中心位于1.1eV的發(fā)光峰帶。的發(fā)光峰帶。第13頁(yè)/共16頁(yè)圖圖4 高質(zhì)量高質(zhì)量CZT晶體晶體PL譜的近帶邊區(qū)譜的近帶邊區(qū)第14頁(yè)/共16頁(yè) 該該P(yáng)L譜的主峰為中性施主的束縛激子峰（譜的主峰為中性施主的束縛激子峰（D0, X）。）。而而CdTe和和Cd0.96Zn0.04Te在該區(qū)域內(nèi)的主發(fā)光峰則通常為在該區(qū)域內(nèi)的主發(fā)光峰則通常為受主束縛激子峰（受主束縛激子峰（A0,X）。在）。在Cd0.9Zn0.1Te晶體的近帶晶體的近帶邊區(qū)的邊區(qū)的PL譜除此之外，還可以看到基態(tài)自由激子峰（譜除此之外，還可以看到基態(tài)自由激子峰（X1）、上偏振帶峰（）、上偏振帶峰（Xup）以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰（）以及第一激發(fā)態(tài)自由激子峰（X2）。對(duì)于質(zhì)量較差的）。對(duì)于質(zhì)量較差的CZT晶體，無(wú)法看到其自由